Energoelektronika i napędy: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Przetwornice DC-DC

Obniżająca
Vo = D·Vin
Podwyższająca
Vo = Vin/(1 − D)
Odwracająca
|Vo| = Vin·D/(1 − D)
Idealny bilans mocy
VinIin = VoIo
Tętnienia prądu cewki
ΔIL = VL,on·D/(L·f); buck Vin − Vo, boost and buck-boost Vin
Średni prąd cewki
obniżająca Io; podwyższająca i odwracająca Io/(1 − D)
Tętnienia wyjścia
obniżająca ΔIL/(8fC); podwyższająca i odwracająca Io·D/(fC)
Granica pracy z prądem ciągłym
obniżająca (1 − D)R/(2f); podwyższająca D(1 − D)²R/(2f); odwracająca (1 − D)²R/(2f)

Metoda

  1. Rozpoznaj przetwornicę (obniżającą, podwyższającą lub odwracającą) i wyznacz współczynnik wypełnienia D z przekładni napięciowej.
  2. Użyj bilansu woltosekundowego na cewce: średnie napięcie na cewce w ciągu okresu jest równe zero.
  3. Wyznacz napięcie na cewce przy załączonym kluczu, a potem ΔIL = VL·D/(L·f).
  4. Dla tętnień wyjścia wyznacz ładunek wpływający do kondensatora i z niego wypływający; dla granicy pracy z prądem ciągłym przyrównaj średni prąd cewki do ΔIL/2.

Silniki prądu stałego

Obwód twornika
V = E + IaRa
Siła przeciwelektromotoryczna i moment
E = k·ω, T = k·Ia
Prędkość
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Prędkość biegu jałowego i moment utyku
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Moce
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Rozruch
Istart = V/(Ra + Rst)
Zmienność prędkości
SR = (n0 − nFL)/nFL
Maksymalna moc wytworzona
Pmax = V²/(4Ra)
Napęd z przerywaczem
Va = D·Vdc

Metoda

  1. Narysuj obwód twornika: napięcie zasilania V, rezystancja Ra i siła przeciwelektromotoryczna E połączone szeregowo.
  2. Użyj V = E + Ia·Ra, aby powiązać napięcie, prąd i siłę przeciwelektromotoryczną.
  3. Użyj E = k·ω dla prędkości i T = k·Ia dla momentu, z ω = 2π·n/60.
  4. Dla mocy i sprawności zacznij od V·Ia, odejmij straty w miedzi Ia²·Ra, a potem straty mechaniczne.

Moc AC i współczynnik mocy

Moc czynna
P = V·I·cos φ
Moc bierna
Q = V·I·sin φ
Moc pozorna
S = V·I = √(P² + Q²)
Współczynnik mocy
pf = cos φ = P/S
Kondensator kompensacyjny
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Moc w układach trójfazowych

Połączenie w gwiazdę (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Połączenie w trójkąt (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Całkowita moc czynna
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Moc pozorna i bierna
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Kondensatory do kompensacji
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Napięcie na każdym kondensatorze
Δ: VL Y: VL/√3
Moc pobierana przez silnik
Pin = Pout/η

2Zadania do ćwiczenia

1.Przetwornice DC-DCŚredni
tiL​Imax​Imin​ΔI = ?DTT2T

Idealna przetwornica obniżająca zamienia 9 V na 5,4 V przy 25 kHz i L = 22 µH. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia prądu cewki ΔIL.

Vin​ = 9 VVo​ = 5,4 Vf = 25 kHzL = 22 µH
ΔIL = A
2.Przetwornice DC-DCTrudny
+−9 VSLC = 100 µFR = 12 Ω−+−21 V

Idealna przetwornica odwracająca zamienia 9 V na −21 V przy obciążeniu 12 Ω i 20 kHz. Kondensator wyjściowy ma 100 µF. Wyznacz międzyszczytowe tętnienia napięcia wyjściowego ΔVo w mV.

Vin​ = 9 VVo​ = −21 Vf = 20 kHzC = 100 µFR = 12 Ω
ΔVo = mV
3.Silniki prądu stałegoŚredni
T (N·m)n (rpm)Tst​ = ?n0​

Silnik prądu stałego o k = 0,3 N·m/A i Ra = 0,2 Ω jest dołączony do napięcia 120 V. Wyznacz jego moment utyku Tstall, czyli moment przy zerowej prędkości.

V = 120 Vk = 0,3 N·m/ARa = 0,2 Ω
Tstall = N·m
4.Silniki prądu stałegoTrudny
+−220 VD = ?Ra​ = 1 ΩM+−En = 300 rpmT = 0,6 N·m

Przerywacz prądu stałego zasila silnik (k = 0,3 V·s/rad, Ra = 1 Ω) z szyny prądu stałego 220 V. Średnie napięcie twornika to D·220 V. Wyznacz współczynnik wypełnienia D, przy którym silnik pracuje z prędkością 300 obr/min i obciążeniem 0,6 N·m.

Vdc = 220 Vk = 0,3 V·s/radRa = 1 ΩT = 0,6 N·mn = 300 rpm
D = %
5.Moc AC i współczynnik mocyŚredni
230 V121 kW, 0,6527 kW, 0,95I

Do jednofazowego zasilania 230 V podłączono równolegle dwa odbiorniki: odbiornik 21 kW przy współczynniku mocy 0,65 (indukcyjnym) oraz odbiornik 7 kW przy współczynniku mocy 0,95 (pojemnościowym). Wyznacz wypadkowy współczynnik mocy cos φ widziany przez zasilanie.

V = 230 VP1 = 21 kW, pf1 = 0,65 indukcyjnyP2 = 7 kW, pf2 = 0,95 pojemnościowy
cos φ =
6.Moc AC i współczynnik mocyTrudny
P = 15 kWQ1​S1​φ1​QC​

Odbiornik jednofazowy pobiera 15 kW przy współczynniku mocy 0,75 (indukcyjnym) z zasilania 230 V, 50 Hz. Kondensator dołączony równolegle podnosi współczynnik mocy do 0,95. Wyznacz potrzebną pojemność C.

P = 15 kWpf1 = 0,75pf2 = 0,95V = 230 Vf = 50 Hz
C = µF
7.Moc w układach trójfazowychŚredni
ABCVL​ = 208 VNZ = 12 + j16 Ωna fazę

Symetryczny odbiornik połączony w gwiazdę o impedancji 12 + j16 Ω na fazę jest przyłączony do symetrycznej sieci trójfazowej o napięciu przewodowym 208 V. Wyznacz całkowitą moc czynną P pobieraną przez odbiornik w kW.

VL = 208 VZ = 12 + j16 Ω na fazę
P = kW
8.Moc w układach trójfazowychTrudny
P = 80 kWφ1​S1​Q2​QC​

Symetryczny odbiornik trójfazowy pobiera 80 kW przy współczynniku mocy 0,65 (indukcyjnym) z sieci 415 V (napięcie przewodowe), 50 Hz. Trójfazowa bateria kondensatorów połączona równolegle z odbiornikiem ma podnieść wypadkowy współczynnik mocy do 0,92 (indukcyjnego). Moc czynna się nie zmienia. Kondensatory są połączone w gwiazdę. Wyznacz pojemność Cph każdego kondensatora w µF.

P = 80 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,92VL = 415 Vf = 50 Hz
Cph = µF

3Roztwory

1.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔIL = 3,927 A

Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.

Współczynnik wypełnienia

D = 5,4/9 = 0,6

Napięcie na cewce w czasie załączenia

Gdy klucz S jest załączony, cewka leży między Vin a Vo.

VL = 9 − 5,4 = 3,6 V

Tętnienia prądu

ΔIL = VL·D/(L·f) = 3,6·0,6/(22·10⁻⁶·25·10³) = 3,927 A

Odpowiedź

ΔIL = 3,927 A
2.Przetwornice DC-DC

Odpowiedź: ΔVo = 612,5 mV

Przetwornice DC-DC: klucz S jest załączony przez ułamek D każdego okresu T = 1/f. W stanie ustalonym średnie napięcie na cewce jest równe zero (bilans woltosekundowy), co daje idealne przekładnie napięciowe przy prądzie ciągłym: przetwornica obniżająca Vo = D·Vin, podwyższająca Vo = Vin/(1 − D), odwracająca |Vo| = Vin·D/(1 − D). Idealna przetwornica zachowuje moc: Vin·Iin = Vo·Io. Gdy klucz S jest załączony, prąd cewki rośnie o ΔIL = VL·D·T/L, gdzie VL = Vin − Vo w przetwornicy obniżającej oraz Vin w podwyższającej i odwracającej. Tętnienia napięcia wyjściowego wynoszą ΔVo = ΔIL/(8fC) w przetwornicy obniżającej oraz Io·D/(fC) w podwyższającej i odwracającej. Prąd cewki tylko dotyka zera (granica pracy z prądem ciągłym), gdy średni prąd cewki jest równy ΔIL/2.

Współczynnik wypełnienia

D = 21/(9 + 21) = 0,7

Prąd obciążenia

Io = 21/12 = 1,75 A

Tętnienia wyjścia

ΔVo = 1,75·0,7/(20·10³·100·10⁻⁶) = 612,5 mV

Odpowiedź

ΔVo = 612,5 mV
3.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: Tstall = 180 N·m

Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja Ra połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + Ia·Ra. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·Ia, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·Ia = T·ω; moc wejściowa to V·Ia, a różnicę stanowią straty w miedzi Ia²Ra oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − Ra·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/Ra. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/Ra jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.

Prąd utyku

Ia = V/Ra = 120/0,2 = 600 A

Moment utyku

Tstall = 0,3·600 = 180 N·m

Odpowiedź

Tstall = 180 N·m
4.Silniki prądu stałego

Odpowiedź: D = 5,193 %

Silnik prądu stałego: twornik to rezystancja Ra połączona szeregowo z siłą przeciwelektromotoryczną E, więc V = E + Ia·Ra. Siła przeciwelektromotoryczna rośnie z prędkością, E = k·ω, a moment z prądem, T = k·Ia, przy tej samej stałej silnika k (V·s/rad = N·m/A) w jednostkach SI. Prędkości zamieniaj wzorem ω = 2π·n/60. Moc wytworzona to E·Ia = T·ω; moc wejściowa to V·Ia, a różnicę stanowią straty w miedzi Ia²Ra oraz straty mechaniczne. Prędkość maleje liniowo z momentem, ω = V/k − Ra·T/k², od prędkości biegu jałowego V/k do zera przy momencie utyku k·V/Ra. W spoczynku E = 0, więc prąd rozruchowy V/Ra jest duży, o ile nie ogranicza go rezystor.

Wymagane napięcie twornika

Va = 0,3·31,42 + 2·1 = 11,42 V

Współczynnik wypełnienia

D = 11,42/220 = 5,193 %

Odpowiedź

D = 5,193 %
5.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: cos φ = 0,7829

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Moc bierna każdego odbiornika

Odbiornik indukcyjny pobiera moc bierną (Q > 0); odbiornik pojemnościowy ją oddaje (Q < 0).

Q1 = 21·tan(arccos 0,65) = 24,55 kvar
Q2 = −7·tan(arccos 0,95) = −2,301 kvar

Sumy

P = 21 + 7 = 28 kW
Q = 24,55 + (−2,301) = 22,25 kvar
S = √(28² + 22,25²) = 35,76 kVA

Wypadkowy współczynnik mocy

cos φ = P/S = 28/35,76 = 0,7829 indukcyjny

Odpowiedź

cos φ = 0,7829
6.Moc AC i współczynnik mocy

Odpowiedź: C = 499,3 µF

Moc w obwodach AC: moc pozorna S = V·I (VA) dzieli się na moc czynną P = S·cos φ (W), która wykonuje pracę użyteczną, i moc bierną Q = S·sin φ (var), która krąży między źródłem a odbiornikiem. Współczynnik mocy to cos φ. Kondensator równoległy dostarcza moc bierną lokalnie, więc prąd linii maleje przy tej samej mocy czynnej.

Moc bierna przed i po

Moc czynna P się nie zmienia; zmienia się tylko moc bierna pobierana z sieci.

Q1 = P·tan φ1 = 15·tan(41,41°) = 13,23 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 15·tan(18,19°) = 4,93 kvar
QC = Q1 − Q2 = 8,298 kvar

Pojemność

Kondensator dołączony do zasilania dostarcza Q = V²·ωC.

C = QC/(2πf·V²) = 8298/(2π·50·230²) = 499,3 µF

Odpowiedź

C = 499,3 µF
7.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: P = 1,298 kW

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.

Napięcie fazowe

Vph = 208/√3 = 120,1 V

Prąd fazowy

|Z| = √(12² + 16²) = 20 Ω
Iph = 120,1/20 = 6,004 A

Całkowita moc czynna

Moc czynną pobiera tylko rezystancyjna część każdej impedancji.

P = 3·Iph²·R = 3·6,004²·12 = 1,298 kW

Odpowiedź

P = 1,298 kW

Sprawdzenie: cos φ = R/|Z| = 0,6, a √3·VL·IL·cos φ daje tę samą moc.

8.Moc w układach trójfazowych

Odpowiedź: Cph = 1099 µF

Symetryczne układy trójfazowe: w połączeniu w gwiazdę (Y) napięcie przewodowe jest √3 razy większe od napięcia fazowego, VL = √3·Vph, a prąd przewodowy jest równy prądowi fazowemu. W połączeniu w trójkąt (Δ) napięcie przewodowe jest równe napięciu fazowemu, a prąd przewodowy jest √3 razy większy od prądu fazowego, IL = √3·Iph. Moc całkowita jest trzykrotnością mocy jednej fazy: P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Kompensacja mocy biernej: kondensatory dostarczają moc bierną lokalnie, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Każdy z trzech kondensatorów dostarcza QC/3 = V²·ω·C, gdzie V to napięcie na tym kondensatorze: VL w baterii połączonej w trójkąt, VL/√3 w baterii połączonej w gwiazdę.

Moc bierna przed i po

Moc czynna się nie zmienia, więc każdy współczynnik mocy wyznacza moc bierną: Q = P·tan φ.

Q1 = 80·tan(acos 0,65) = 80·1,169 = 93,53 kvar
Q2 = 80·tan(acos 0,92) = 80·0,426 = 34,08 kvar

Moc bierna z kondensatorów

QC = Q1 − Q2 = 59,45 kvar

Pojemność na fazę

W baterii połączonej w gwiazdę każdy kondensator jest włączony między przewód fazowy a punkt gwiazdowy.

V = 415/√3 = 239,6 V, ω = 2π·50 = 314,2 rad/s
Cph = (QC/3)/(ω·V²) = 19817/(314,2·239,6²) = 1099 µF

Odpowiedź

Cph = 1099 µF

ExamProblems · examproblems.com/courses/power-electronics